橫波源三維地震資料矢量橫波四分量旋轉(zhuǎn)和快慢波分離技術(shù)

公 亭 王兆磊 羅文山 王永生 岳媛媛 顧小弟

(①東方地球物理公司研究院，河北涿州 072750； ②青海油田勘探事業(yè)部，甘肅敦煌 736202； ③東方地球物理公司物探技術(shù)研發(fā)中心，河北涿州 072750)

0 引言

彈性介質(zhì)中能夠傳播兩種不同類(lèi)型的體波，一種是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的縱波(壓縮波)，另一種是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向垂直的橫波(剪切波)[1-2]。油氣儲(chǔ)層的橫波和縱波響應(yīng)特征不同：一方面，橫波傳播只與巖石骨架有關(guān)，對(duì)流體不敏感，對(duì)存在氣云區(qū)的特殊油藏，能更準(zhǔn)確地對(duì)地下構(gòu)造成像； 另一方面綜合利用縱波和橫波信息可以提高儲(chǔ)層反演和預(yù)測(cè)的精度[3-4]?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，從二十世紀(jì)三十年代開(kāi)始，前蘇聯(lián)科學(xué)家就開(kāi)展橫波勘探方法研究，美國(guó)、法國(guó)、西德也相繼開(kāi)展了大量橫波勘探方法的試驗(yàn)。二十世紀(jì)七、八十年代后，受震源的限制，橫波勘探逐步被成本更低的轉(zhuǎn)換波勘探取代，針對(duì)橫波勘探的研究幾乎停滯。但由于轉(zhuǎn)換波勘探射線路徑不對(duì)稱(chēng)，上、下行波類(lèi)型不一致[5-6]，給資料處理、解釋帶來(lái)許多困難，2010年后也開(kāi)始?xì)w于沉寂[7]。

近年來(lái)，東方地球物理公司(BGP)通過(guò)不斷地研究和探索，成功研發(fā)了大噸位橫波可控震源EV-56S，采集了橫波源三維地震資料，橫波勘探取得重大技術(shù)突破。橫波勘探不同于縱波，多分量檢波器記錄的地震波場(chǎng)與橫波震源激發(fā)方向、地下介質(zhì)的裂隙方向直接相關(guān)，有著明顯的矢量特性，而以往橫波處理技術(shù)研究局限于二維橫波處理或者建立在三維轉(zhuǎn)換波地震資料處理基礎(chǔ)上，對(duì)橫波三維空間上復(fù)雜波場(chǎng)的矢量關(guān)系考慮不足，無(wú)法應(yīng)用于三維橫波地震資料，因此迫切需要形成一套完整的矢量處理技術(shù)。

在柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)開(kāi)展的可控震源縱、橫波聯(lián)合激發(fā)的三維多波矢量采集，即在同一位置，縱波震源、x方向橫波震源(振動(dòng)方向與接收排列平行)、y方向橫波震源(振動(dòng)方向與接收排列垂直)各激發(fā)一次，三分量數(shù)字檢波器接收，獲得了三維九分量(3D9C)地震數(shù)據(jù)。

本文僅對(duì)橫波震源激發(fā)、水平分量接收到的四個(gè)分量數(shù)據(jù)開(kāi)展針對(duì)橫波勘探多方向性的矢量處理技術(shù)研究。

圖1 四分量數(shù)據(jù)定義示意圖

1 四分量旋轉(zhuǎn)技術(shù)

為方便后續(xù)闡述，在野外觀測(cè)系統(tǒng)坐標(biāo)系中，定義平行于檢波線方向?yàn)閤方向，垂直于檢波線方向?yàn)閥方向，如用SxRy表示震源沿x方向水平激發(fā)、三分量檢波器沿y方向接收的地震道； 在室內(nèi)處理R、T坐標(biāo)系中，定義平行于炮檢點(diǎn)連線方向?yàn)閺较騌，垂直于連線方向?yàn)榍邢騎，如用SRRT表示震源徑向投影能量、檢波點(diǎn)切向接收能量的地震道。

對(duì)于三維橫波源地震資料，在各向同性水平層狀介質(zhì)假設(shè)條件下，如果橫波震源激發(fā)方向與穿過(guò)炮點(diǎn)和接收點(diǎn)的垂直面即不平行也不垂直，則檢波器兩個(gè)水平分量上均會(huì)接收到能量，即在SxRx、SxRy、SyRx和SyRy四個(gè)水平分量上都會(huì)接收到橫波能量。另一方面，受地表?xiàng)l件影響，實(shí)際野外采集時(shí)，震源車(chē)行進(jìn)方向無(wú)法嚴(yán)格遵照施工設(shè)計(jì)中規(guī)定的檢波線方向，不同的震源車(chē)車(chē)頭朝向?qū)е陆邮盏降臋M波相位存在差異，當(dāng)震源車(chē)朝向相反時(shí)，子波相位差180°，極性相反。基于以上兩方面原因，任意水平分量未經(jīng)矢量處理直接疊加均無(wú)法獲得較好的成像效果。

因此，三維橫波地震資料處理應(yīng)首先將四個(gè)初始分量數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到與炮、檢點(diǎn)連線平行或正交的R、T方向，以尋求R、T方向能量最大化。借鑒橫波分裂分析與校正公式[8-9]，四分量旋轉(zhuǎn)可表示為

(1)

式中θ為炮檢點(diǎn)連線與x方向的夾角。

如圖2所示，使用原始四個(gè)水平分量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，成像效果較差。通過(guò)四分量旋轉(zhuǎn)后，SRRR和STRT分量的疊加能量得以恢復(fù)(圖3a和圖3b)，但由于實(shí)際介質(zhì)的各向異性，SRRT和STRR分量的疊加剖面仍有有效能量殘留(圖3c和圖3d)，將在后續(xù)快、慢波分離處理中得到進(jìn)一步解決。

圖2 四分量旋轉(zhuǎn)前疊加剖面

圖3 四分量旋轉(zhuǎn)后疊加剖面

2 快慢橫波分離技術(shù)

當(dāng)橫波在含有裂縫的各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，就會(huì)明顯分裂為兩個(gè)偏振互相正交而速度不同的剪切波[10-12]，一個(gè)是偏振方向平行于裂縫的快橫波，另一個(gè)是偏振方向垂直于裂縫的慢橫波[13]。

2.1 裂縫方位角求取

圖4 旋轉(zhuǎn)互相關(guān)法求取的裂縫方位角(a)、Alford旋轉(zhuǎn)掃描法求取的裂縫方位角(b)及對(duì)應(yīng)的SRRR分量疊加剖面(c)

2.2 快慢波分離技術(shù)

假設(shè)地下含裂縫地層和預(yù)處理得到橫波地震記錄滿(mǎn)足：①選定分析時(shí)窗內(nèi)的目標(biāo)地層只發(fā)育單一方向的裂縫； ②地下裂縫地層可等效于HTI介質(zhì)，即裂縫垂直于地層。

快、慢波分離就是根據(jù)橫波在各向異性介質(zhì)中傳播特性，應(yīng)用傳播矩陣旋轉(zhuǎn)法，將混合了快、慢橫波能量的R、T分量轉(zhuǎn)換為快、慢橫波記錄

(2)

式中：β為裂縫方向與炮檢連線方向的夾角； SS1RS1分量表示分離后得到的快橫波； SS2RS2分量表示分離后得到的慢橫波； SS1RS2和SS2RS1分量能量在快、慢波分離徹底的情況下為0。

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，設(shè)計(jì)了一個(gè)三層水平層狀模型，第一層、第三層是各向同性介質(zhì)，第二層是裂縫方位角為60°的HTI介質(zhì)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

應(yīng)用反射系數(shù)法合成第2個(gè)界面的橫波反射數(shù)據(jù)，再將R、T方向四個(gè)分量按10°增量劃分扇區(qū)進(jìn)行疊加，得到第2界面的橫波反射方位角道集(圖5a～圖5d)。受方位各向異性的影響，SRRR和STRT分量同相軸呈現(xiàn)周期性波浪狀，而SRRT和STRR分量每隔90°則會(huì)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。根據(jù)SRRR或STRT分量出現(xiàn)最大時(shí)差位置可推知，裂縫方位角β=60°。將裂縫方位角代入式(2)，旋轉(zhuǎn)得到快(SS1RS1分量)、慢(SS2RS2分量)波分離結(jié)果(圖5e、圖5f)。分離后的SS1RS2分量(圖5g)和SS2RS1分量(圖5h)能量為0，說(shuō)明利用該方法能夠比較徹底地分離快、慢橫波。

圖5 單層HTI介質(zhì)快、慢波分離結(jié)果

圖6為實(shí)際地震數(shù)據(jù)SRRR分量和分離的快橫波分量的速度譜及道集，可以看出，分離后道集中不同炮檢距同相軸錯(cuò)斷的異常現(xiàn)象得到有效消除，連續(xù)性增強(qiáng)，道集質(zhì)量明顯提高，速度譜能量也更為聚焦。圖7、圖8分別是快、慢橫波分離前、后的疊加剖面和疊前時(shí)間偏移剖面對(duì)比，從中可以看到，相較于SRRR和STRT分量，快橫波和慢橫波數(shù)據(jù)的波阻關(guān)系清楚，消除了同一套地層橫向上能量強(qiáng)弱不一致的異?，F(xiàn)象，同相軸更光滑，層位可解釋性明顯提高，且快、慢橫波波組特征基本一致，同一套層位僅存在時(shí)延，隨深度增加而增大。

圖6 SRRR分量(a)和快橫波分量(b)的速度譜(左)及道集(右)

圖7 快、慢波分離前、后疊加剖面對(duì)比

3 應(yīng)用效果

柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)生物天然氣藏發(fā)育。但受氣云影響，縱波地震剖面成像效果較差，構(gòu)造變形，無(wú)法落實(shí)氣云區(qū)構(gòu)造形態(tài)特征，嚴(yán)重制約該區(qū)后續(xù)勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。為此，BGP在研究區(qū)部署了縱、橫波聯(lián)合激發(fā)的三維多波地震勘探項(xiàng)目。針對(duì)橫波資料明顯的矢量特性，初步形成了以四分量旋轉(zhuǎn)和快慢波分離技術(shù)為核心的橫波源三維地震資料矢量橫波配套處理技術(shù)流程(圖9)。通過(guò)該套技術(shù)流程的應(yīng)用，獲得了高品質(zhì)的橫波地震剖面。

圖9 矢量橫波四分量處理技術(shù)流程

研究區(qū)東側(cè)位于A號(hào)氣田，從圖10 的縱、橫波時(shí)間域處理成果可以看出，縱波受氣云的影響，存在明顯的低頻下拉現(xiàn)象，成像質(zhì)量極差，而橫波在含氣異常區(qū)成像優(yōu)勢(shì)明顯，較好地恢復(fù)了A號(hào)氣田區(qū)的構(gòu)造形態(tài)。圖11是根據(jù)縱、橫波聯(lián)合解釋方案目的層K9所在位置平均時(shí)間提取的時(shí)間切片，圖12是提取的目的層K13的沿層相干切片，可以看出，相較于縱波，橫波除在含氣異常區(qū)構(gòu)造成像方面的優(yōu)勢(shì)外，對(duì)于微小斷裂及地質(zhì)異常體的刻畫(huà)能力明顯增強(qiáng)。

圖10 縱波(a)、快橫波(b)疊前時(shí)間偏移剖面對(duì)比

圖11 縱波(a)、快橫波(b)疊前時(shí)間偏移切片對(duì)比

圖12 縱波(a)、慢橫波(b)疊前時(shí)間偏移相干切片對(duì)比

從圖13利用縱、橫波成果獲得的疊前波阻抗反演結(jié)果可見(jiàn)，在相同域(橫波標(biāo)定到縱波域)中，縱波僅能識(shí)別研究區(qū)厚度約為8.6m的薄儲(chǔ)層，而橫波能夠識(shí)別的厚度約為4.6m，相較于縱波，橫波分辨率提高了近一倍，這為落實(shí)該區(qū)域構(gòu)造背景、助力開(kāi)發(fā)階段薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)奠定了資料基礎(chǔ)。

圖13 縱波(a)、慢橫波(b)疊前反演剖面對(duì)比黑色曲線為伽馬測(cè)井曲線

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)在柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)，成功應(yīng)用了橫波源三維地震資料矢量橫波配套處理技術(shù)，獲得了可靠的快、慢橫波成果資料。

(2)在研究區(qū)，相比于縱波，橫波資料不僅能夠有效刻畫(huà)氣云區(qū)的構(gòu)造形態(tài)，而且分辨率更高。

(3)四分量旋轉(zhuǎn)和快慢波分離技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，基本解決了研究區(qū)橫波勘探的處理難題。但目前僅能應(yīng)用于單組裂縫發(fā)育地區(qū)，當(dāng)實(shí)際地質(zhì)條件更復(fù)雜、在多層系發(fā)育多組裂縫時(shí)，如何逐層開(kāi)展矢量處理尚需進(jìn)一步研究。